Gelingen und Misslingen von Demonstrationsversuchen

[Glaskocher]

Zur Bereitstellung von Gasen eignet sich eine einfache Apparatur. Man braucht einen Rundkolben mit Tropftrichter, der einen Druckausgleich hat. Oben drauf kommt dann eine Gasableitung, gefolgt von der Wäsche. Wenn eine Waschflasche zu wenig Volumen hat, dann kann man den Aufsatz auch auf einen Rundkolben stecken, muß aber dann für relativ wenig Totvolumen sorgen. Im Kolben wird reichlich Metall vorgelegt und im Tropftrichter die Reaktionslösung. Dann kann man das Gas dosierkontrolliert erzeugen und hat nicht die gesamte Wolke auf einmal. Dann Knallgasprobe am Auslass, bevor die Dose gefüllt, die Harmonika gestartet oder das Experiment angeschlossen wird. Wenn man das Gasauslassrohr in ein Gefäß mit Wasser taucht, dann kann man die Apparatur vermutlich erst "freimessen" und dann in mehreren Schüben produzieren und nutzen. Es muß nur darauf geachtet werden, daß das Sperrwasser nicht in die Apparatur gezogen wird.

Das Dosierkontrollierte ist dem einmaligen Schub deutlich vorzuziehen.

Ein Mittelding ist dann der "Kipp" ...sche Gasentwickler, der mit groben Zinkspänen und halbkonz. Salzsäure betrieben wird. Der hat ca. einen halben Liter Vorratsvolumen und liefert dann kontinuierlich nach. Sobald die Entnahme gestoppt wird drückt der entstehende Wasserstoff die Säure aus dem Reaktionsraum und dir Produktion endet. Überschüsse werden durch das Steigrohr abgeblasen.

Eine Frühzündung deutet auf zu viel Luft in der Dose hin. Der Wasserstoff in der Dose sollte luftfrei sein, daß man theoretisch am Auslass der Dose ebenfalls eine negative Knallgasprobe machen könnte. Jetzt fehlt nur noch die Idee, wie man an der Seite der Dose die Gasprobe "zapfen" kann, ohne den Füllvorgang zu unterbrechen oder unnötig zu verlängern. Mit hilft immer das Zischgeräusch beim Füllen, da dieses sich signifikant verändert, wenn der Resonanzraum (Doseninneres) mit Wasserstoff gefüllt ist statt mit Luft.

[Vanadiumpentoxid]

Einen Kippschen Apparat habe ich nicht, aber mit dem Tropftrichter sollte das wohl gehen.
Ich hätte halt nur bedenken, dass sich der Wasserstoff dabei schneller wieder verzieht als er eingefüllt werden kann - da bleibt die Gasdruckflasche einfach ungeschlagen im Vorteil...
Bei schweren Gasen wie Sauerstoff, Chlor oder Kohlendioxid habe ich das Problem nicht - da arbeite ich eigentlich immer mit solch einem Gasentwickler. Jeder, der einmal in einer Chlorwolke gestanden hat, weiß die Vorzüge einer geschlossenen Dosierung zu schätzen...

Ich sehe den Grund für die Frühzündung auch im vorhandenen Luftanteil - jedoch nicht mangels Verdrängung beim Einfüllen, sondern eher aufgrund Ausströmens bereits in den wenigen Sekunden zwischen Knetgummientfernung und Zündung. Gelingt die Zündung mal ohne sofortigen Rückschlag, scheint sich Ausströmungsgeschwindigkeit dadurch wieder deutlich zu verringern - liege ich mit dieser Beobachtung (aus früheren Versuchen) richtig oder täusche ich mich da? Denn gefühlt entleert sich die Dose ungezündet schneller als der Pfeiffton von der Zündung bis zur Detonation anhält.

Beim Einfüllen habe ich nur ein Leiserwerden des Zischens vernommen. An versiegendem Wasserstoff kann das eigentlich nicht gelegen haben - davon strömte trotzdem immer noch reichlich ein (man sieht es es ja auch am Blubbern in der Eisschmelze...).
Macht es vll. doch mehr Sinn von unten her zu befüllen?

[Glaskocher]

Ich befülle bewußt von oben, da Wasserstoff leichter ist als Luft (~1:14) und somit sich in der Dose tendenziell nach oben "sortiert". Somit müßte unten eher das schwerere Gas(gemisch) heraus fließen. Ansonsten würde ja immer der konzentrierteste Wasserstoff oben heraus geblasen, während der Rest Luft durch die Turbolenzen in der Dose weiter verdünnt wird.

Beim Knetgummi hätte ich etwas Sorge, daß es ins Loch gedrückt dort abreißen könnte. Dann ist unfreiwillige Verzögerung durch Pulen angesagt. Ein bereits halb klebendes Stück Klebefilm bräuchte dann nur herunter gedrückt und zum Zünden an der, vorher präparierten, Lasche abgezogen zu werden. Alternativ das Loch mit einer Münze abdecken und den Knetklumpen breit darüber modellieren. Falls vorhanden kann man auch mit Silikonkitt "Zipfelmützen" irgendwo drauf spritzen und diese als Stopfen verwenden. Zur Not hängend "trocknen" lassen, damit der Zipfel nicht breit sinkt.


Einen ähnlichen Knalleffekt bekommt man, wenn man eine Glasglocke mit der Öffnung nach unten am Stativ befestigt. Ein J-förmiges Rohr beginnt knapp unter der "Decke" der Glocke und endet nach der 180°-Biegung mindestens 5cm höher neben/über der Glocke. Durch das Rohr wird die Glocke zuerst mit Wasserstoff befüllt und dann wird das austretende Gas sofort entzündet. Auch hier brennt die Flamme zunächst ruhig und wird wegen des sinkenden Auftriebes im Inneren der Glocke kleiner. Dann wird sie langsam unruhig, weil der bereits mit Luft verdünnte Wasserstoff eine höhere Abbrandgeschwinbdigkeit hat, als reiner Wasserstoff. Bald danach übersteigt die Abbrandgeschwindigkeit sie Strömungsgeschwindigkeit und die Flamme wandert recht flott in die Glocke. Der Rest geht schnell unter Licht- und Schallemission. Auch hier ist möglichst reiner Wasserstoff erforderlich und man sollte mindestens das doppelte Volumen der Glocke zum Spülen bereit halten. Da keine beweglichen Teile verbaut sind kann nur der Staub vom Labortisch aufgewirbelt werden. Bei einer bodenlosen 1L- oder auch 5L-Flaschen besteht keine Berstgefahr, da das Bodenloch weit genug ist, um den Flammgasen als "Ausweg" zu dienen. Andere Gefgäße ähnlicher Geometrie funktionieren auch, aber bitte bevorzugt die "niedrige Bauart" an Bechergläsern nutzen und das Rohr mit ca. 6mm Innendurchmesser.

[Vanadiumpentoxid]

In den Löchern ist vom Knetgummi nichts hängengeblieben, das Abziehen hat nur wenige Sekunden gedauert.
Mit Tesafilm habe ich es schon früher öfter versucht, führte aber mindestens genauso häufig zu Frühzündungen.
Silikonzipfel klingen zumindest sehr kreativ...

Mein Lehrer (wohlgemerkt der Pannen-Andi!) hat das fehlschlagsfrei auf dem Lehrertisch allein mit der deckellosen umgedrehten Ültje-Dose inkl. Loch im Boden, der Gasflasche mit Gummischlauch, einem Stabfeuerzeug und einem gefalteten Notizzettel hingekriegt (ein anderer Lehrer, der das im Rahmen einer kleinen Show gemacht hat, verwendete anstatt des Zettels ein Streichholz).
Befüllung knapp über der Tischkante von unten, währenddessen eine Fingerkuppe auf dem Loch. Kein weiterer Schnickschnack dank Befüllung aus der Druckflasche. Bis zum Knall dauerte der ganze Spass nicht länger als zwei Minuten. Ich hingegen kann jetzt gleich noch meine Apparatur abwaschen...

[eule]

Nur der Vollständigkeit halber: Wenn ich das richtig verstanden habe, dann funktioniert das auch mit z.B. Methan, wie Andrew Szydlo in der Royal Institution hier demonstriert timecode 53:59 - 57:47.
Was ich an der Version besonders mag ist, daß die Methanflamme erstmal hell leuchtet und somit für das Audience recht deutlich zu erkennen ist.

[Vanadiumpentoxid]

Nur der Vollständigkeit halber: Wenn ich das richtig verstanden habe, dann funktioniert das auch mit z.B. Methan

Grundsätzlich funktioniert das mit jedem Gas, das sowohl deutlich leichter als Luft ist, als auch brennbar und mit Luftsauerstoff explosive Gemische bildet.
Methan ist zwar leichter als Luft, jedoch immer noch etwa achtmal schwerer/dichter als Wasserstoff. Da es sich ganz nicht so schnell verflüchtigt, dürfte es - bei ordentlicher Befüllung der Dose - also auch weniger häufig sofort durchzünden. Dafür ist der Rumms aber auch nicht ganz so heftig wie bei Wasserstoff - die tiefe Resonanz war vorhin in nächster Nähe (natürlich mit Gehörschutz!) auch körperlich deutlich spürbar. Ähnliche Wucht haben sonst nur Ethin-Luft-Gemische (Carbid-Schiessen!), die sich wegen der Dichte von Ethin (die schon sehr nahe bei der von Luft liegt) aber eher nicht mehr für das beschriebene Experiment eignen.

Für den Hobbychemiker ist Methan jedoch schwieriger zu generieren als Wasserstoff. Aluminiumcarbid ist kaum verfügbar. Das Gas ließe sich auch durch starkes Erhitzen einer Natriumacetat/-hydroxidmischung herstellen. Da dafür offene Flammen notwendig sind, gleichzeitig aber die Dose in einem offenem System befüllt wird (ohne Sperrflüssigkeit), ist die entsprechende Präparation mit Vorsicht zu genießen bzw. vll. sogar eher nicht ratsam.
Wer eine Entnahmestelle für Erdgas zur Versorgung des Bunsenbrenners in seinem Labor hat (bekommen Privathaushalte so etwas mit Ausnahme fest angeschlossener Thermen und Herde eigentlich überhaupt genehmigt?), könnte natürlich auch die nutzen, da Erdgas hauptsächlich aus Methan besteht.

[Glaskocher]

Mir kommt gerade die Idee, das Gas (Wasserstoff oder Methan) in einem Gasometer zu speichern. Sooo groß muss er nicht sein. Aber aus zwei PET-Flaschen, einem doppelt und einem einfach gebohrten Gummistopfen, einem Glasrohr und einen Dreiwegehahn plus Stativmaterial kann man Eines für den Labortisch bauen. Die erste Flasche wird mit Wasser gefüllt und stehend befestigt. Das Glasrohr wird so in den doppelt gebohrten Stopfen geschoben, daß es bis zum Boden der Flasche geht, ins zweite Loch kommt der Dreiwegehahn (T-Hähne mit Abgängen nach Geradeaus und zur Seite montieren). Ersatzweise ein T-(Y)-Stück mit zwei einfachen Hähnen benutzen. Die zweite Flasche bekommt ein Loch in den Boden und wird mit dem einfach gebohrten Gummistopfen so auf dem oberen Ende des senkrechten Rohres montiert, daß der Boden nach oben zeigt. Mit der Länge des senkrechten Rohres läßt sich der Gasdruck vorbestimmen (Pegeldifferenz zwischen Gasbehälter und Speicherbehälter). Das Gasgefäß kann auch in Glas ausgeführt und die Verbindung zum Ausgleichgefäß mit einem Schlauch verlängert werden.

Soblad das Gasgefäß blasenfrei mit Wasser gefüllt ist kann das Einlagern von Gas beginnen. Man startet die Gaserzeugung und führt bei Bedarf eine Reinheitskontrolle im Vorlauf durch. Dann verbindet man den Ausgang des Gasgenerators mit dem Eingang des Gasometers und gibt den Weg in das Speichergefäß frei. Jetzt wird so lange Gas erzeugt, bis das Gas fast das untere Ende des Steigrohres erreicht hat. Dann verschließt man den Gaseingang, stoppt die Herstellung und löst die Verbindung vom Gaserzeuher zum Gasometer, um möglichem Überdruck im Erzeuger vorzubeugen. Zur Entnahme öffnet man den Hahn zur Entnahme und hat den Inhalt des Speichergefäßes zur Verfügung. Kurz vor der völligen Leerung sollte man den Hahn wieder verschließen, um kein Sperrwasser in die Gasleitungen fließen zu lassen. Jetzt kann der Zyklus von Neuem beginnen.

Mit passenden Kunststoffkanistern lassen sich auch größere Geräte bauen. Man muß nur entsprechende Verschraubungen haben, die z.B. in den Deckeln abdichten. Die alten, einschraubbaren Ventilnippel von Fahradschläuchen sind seit ca. 30 Jahren von fest Einvulkanisierten verdrängt worden. Aber wer Baut hat Recht...

Alternative Bauart

[mgritsch]

Hmmm… die Gasometer-Idee klingt spannend aber ich tue mir noch schwer aus den Worten ein Bild im Kopf zu bekommen … könntest du bitte evtl eine Skizze malen?

[Glaskocher]

Ich habe dort eine ähnliche Abbildung gefunden. Bei dem Gerät kann man das Gas alternativ durch den schrägen Einlass unten einleiten während alle Hähne verschlossen sind. Das verdrängte Wasser läuft aus der selben Öffnung ab und muß später in das Ausgleichsgefäß gegossen werden. Zur Entnahme wird die untere Öffnung verschlossen und beide Hähne oben geöffnet.

größere Version aus Metall ... wie sie in Rheinboldt: "Chemische Unterrichtsversuche" beschrieben ist.

[Vanadiumpentoxid]

Ich sehe beim DIY-Gasometer auch die Herausforderung in der Abdichtung des Gewindes...
Wie sieht es mit der Diffusionsdurchlässigkeit von PET aus?

[Glaskocher]

Wo ist das Problem mit dem Gewinde? Ein Außengewinde stört keinen Gummistopfen. Und die Diffusionsdichtigkeit müßte zumindest ausreichend sein, um Wasserstoff über eine Stunde zu halten, ohne Explosionsrisiko in der Umgebung. Außerdem wird der Druck im Gerät eher in Millimeter Wassersäule als in bar gemessen.

Ansonsten gibt es zu jedem der von mir genannten Gefäße einen wasserdicht schließenden Deckel, in den man ein Loch bohren kann und das Dichtproblem dadurch an eine andere Stelle verlegt.

[Vanadiumpentoxid]

Ich hab dabei mehr an die Kanister gedacht. Da müsste man das mit dem Loch im Deckel machen und entsprechend abdichten.

Wenn es aber nur um eine Stunde Zwischenlagerung geht, wo genau ist dann der Vorteil gegenüber einer direkten Herstellung nach Bedarf?

[Glaskocher]

Man hat einen größeren Vorrat, der in kürzerer Zeit abrufbar ist. Besonders beim Befüllen der Dose (zehn, fünfzehn Sekunden mit der Flasche nach kurzem Vorlauf) sollte es zu besseren Ergebnissen führen. Außerdem kann man dann die Herstellung von der Verwendung entkoppeln und den Fluss einfach stoppen. Die Stunde war nur eine Zahl, die aber auch deutlich zu klein sein kann.

Es gibt sicher recht günstige Schottdurchgänge entweder für Kabel oder für Rohre, die man in Kanisterdeckel einbauen kann. Zur Not kann man mit 2K-Knete oder Dichtungsmasse improvisieren.

[mgritsch]

Ich habe dort eine ähnliche Abbildung gefunden.

Aaaah, jetzt habe ich ein Bild besser als 1000 Worte
Mal nachdenken wie ich sowas elegant basteln könnte…

[Vanadiumpentoxid]

Ich denke, es wäre auf jeden Fall eine Idee, um die Fehlschlagswahrscheinlichkeit der vorgenannten Experimente zu verringern - vorausgesetzt, das System beweist seine Tauglichkeit. An dieser Stelle bin ich jedoch schon raus, weil mir der Aufwand im Verhältnis zum Einsatzzweck bereits zu hoch ist. Gern gebe ich daher den Staffelstab an mgritsch ab...
Am liebsten hätte ich stattdessen eine kleine Gasdruckflasche (1-2 l reichen ja schon) mit Wasserstoff. Aber der Grundpreis für die Eigentumsflasche wäre mir einfach zu hoch. Das lohnt sich nur für jemanden, der sehr intensiv Wasserstoffchemie betreiben möchte...
Mich wundert eh schon, dass sowas ohne Gewerbeschein im Versandhandel (Speditionslieferung!) frei erworben werden darf... Wie sind die Gefahren einzuschätzen, die von der Haushaltslagerung einer kleinen Flasche ausgehen? Wäre sowas überhaupt ratsam? Welche Sicherheitsvorkehrungen müssten dafür getroffen werden? Womöglich übersteigen allein die Kosten dafür den eigentlichen Preis der Flasche mehrfach...